復旦大學Nature革新之舉：光控微流體新技術！（附央視報道視頻）

xiiluu 7年前 (2016-09-10) 6566瀏覽

【引言】

無論是科學研究還是在實際應用領域中，操縱微量液體以進行生化反應和基礎研究分析都具有十分重要的意義。由于能夠提供非接觸式的空間與時間控制，由光驅動的，特別是由光誘導的毛細力引發的液體操縱具有重要意義。然而，現有的光驅動技術由于在液體運動中受到接觸線釘扎效應的阻礙，其應用十分有限。從光能到液體運動的轉換通常要借助于光學力（通過放射壓和光鑷子）、電驅動光調制（光電濕潤和光控點滲流）或光誘導的毛細力。光誘導毛細力產生于可濕性梯度和馬朗戈尼效應，與前兩種相比，此種轉換方式既不需要特殊的光學設備也沒有復雜的微制備步驟。但是，可濕性梯度產生的毛細力很小，不能克服接觸線釘扎效應，所以只有極個別的液體可以且只能在線性軌道中與運動，而且還存在位移距離短、速度慢等不足。此外，利用光誘導馬朗戈尼效應需要局部加熱或添加光敏性表面活性劑，其所產生的樣品污染十分不利于生化領域的應用。

【成果簡介】

近日，復旦大學俞燕蕾團隊報道了一種新型的光控微型驅動器，實現了對液體的非接觸的實時控制。作者從血管壁的構造中獲得靈感，采用了光致形變的交聯液晶聚合物制備出了管狀微型驅動器（TMAs）。這種TMAs提供了一種概念性的新方法：借助光誘導非對稱形變產生的毛細力來推動液體，該方法既不依靠濕潤性梯度也不需要馬朗戈尼效應。它能夠利用光控使多相液體混合、液體對微球的捕獲甚至是液體爬坡。這種微尺度下的光誘導液體混合和微球的捕獲和移動能夠極大地簡化微流體設備。該微型驅動器可被制備成多種形狀（直線形、‘Y’形、蛇形或螺旋形）。無論何種形狀，該微型驅動器均能推動非極性乃至極性液體移動，可應用的液體類型十分寬廣（包括硅油、己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇和水），此外還包括一部分復合流體（如乳液、液體-固液混合物甚至是汽油等）以及牛血清蛋白、磷酸鹽緩沖溶液、細胞培養介質和細胞分散液等。因此，這種光致形變的TMAs能夠廣泛應用在微反應器、芯片實驗室和微光機系統領域中。

【圖文導讀】

圖1 管狀微型驅動器（TMAs）的設計

如圖1a和1b所示，在強度呈梯度分布的衰減光的驅動下，液塞流動在TMA中進行。圖1c展示的是血管壁的基本結構，包括肌肉層和彈性層，作者以此為啟發，制備出了結構如圖1d所示的線性液晶聚合物LLCP。

圖2 線性液晶聚合物（LLCP）的結構和自支撐TMAs照片

從圖2a,b的透射電競中可以看出LLCP呈層狀結構。圖2c為LLCP片的堆疊結構示意圖，聚芳酯液晶基元自組裝為近晶相。圖d為TMA的三種自支撐結構，從左往右分別為直線形、蛇形和螺旋形。

圖3 液塞的光控流動

從圖3a中可以看出，該TMA的也可使兩相流體產生光控移動。圖3b展示的是光控乳液運輸，將菜籽油液塞分散于硅油當中。圖3c表明，TMA中光誘導產生的渦環流能夠極大地提升二苯甲酮在乙醇中的分散性。而圖3d中展示了借助于TMA的光誘導形變，硅油液塞能夠有效地捕捉和傳遞聚乙烯微球（0.43mm）。

圖4 TMA的光致形變機理和光誘導液體運動速率

從圖4a中可以看出，在入射角為θ非偏振藍光照射下，含有偶氮苯的液晶體系中的聚芳醚會產生再取向；圖4b表明，在470 nm非偏振光的照射下，TMA截面除聚芳醚的再取向會使TMA壁變薄，直徑變長；圖4c顯示，在衰減光的照射下，TMA 的截面積隨光強的增加而增加，這正是由于光照產生的液晶再取向造成的。圖4d表明，此光誘導運動在循環多次后仍保持很好的重復性；圖4e顯示出，在光誘導下產生形變后的TMA變為類圓錐結構。而圖4f比較了三種不同液體的光誘導運動速率，發現己烷的運動速率最高。圖4g表明改變驅動光的強度也可控制液塞的移動速度。

圖5 在直線型(a)、蛇形(b)、螺旋形(c)和‘Y’形(d)TMA中的光驅動液體操縱